3253

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Теперь более подробно рассмотрим каждый из отмеченных способов. Рассмотрим первый способ – пластическое формование,которое осуществляется при влажности шихты 18-25 %. Стеновые изделия, изготавливаемые этим способом, могут быть полнотелыми и пустотелыми, что обуславливает их хорошую теплолизоляционную способность. Сырьем для изготовления стеновых изделий служат, как правило, глины и суглинки, с содержанием оксидов алюминия и кремния, карбонатов кальция, магния и других соединений. Для улучшения физико-химических и технологических свойств глинистого сырья, а также повышения качества готовых изделий используют различные добавки (пластифицирующие, отощающие, выгорающие и т.д.).

Глина, добытая в карьере и доставленная на завод, подвергается измельчению в глинорыхлителе до размеров 100-150 мм. Затем при помощи набора глиноперерабатывающего оборудования (вальцов, бегунов и др.) происходит дальнейшее последовательное измельчение глинистой массы до размеров не более 1 мм и удаление мелких каменистых включений. После чего в смесителе с фильтрующей решеткой глинистая масса увлажняется и тщательно перемешивается. Приготовленная смесь отправляется в глинозапасник, где происходит ее вылеживание в течение 7-10 суток с целью усреднения гранулометрического состава, а также выравнивания влажности смеси.

Из глинозапасника масса поступает в пресс для формования бруса (методом экструзии), который разрезается струнными аппаратами на отдельные изделия, так называемые сырец-кирпичи или камни. После этого сырец укладывается на сушильные рамки (при сушке в камерных сушильных установках) или на вагонетки (при сушке в туннельных сушилках). Для обеспечения качества высушенных изделий необходимо учитывать основное условие, заключающееся в том, чтобы скорость внутренней диффузии (перемещение влаги внутри сырца) соответствовала скорости внешней диффузии (скорости испарения влаги с поверхности сырца) или использовать контактно-диффузионный способ сушки [1, 2].

Завершающей стадией изготовления керамических стеновых изделий является обжиг. Высушенные кирпичи или камни отправляются в печь, имея небольшое содержание влаги, примерно 8-12 %, то есть равновесное по отношению к влажности окружающего воздуха. В связи с этим в начале обжига происходит досушивание сырца. Затем при температурах 550800 оС начинается дегидратация глинистых минералов. Кристаллическая решетка минералов распадается, в результате теряется пластичность глинистого сырья и происходит огневая усадка изделий. При достижении максимальной температуры обжига 850-1000 оС

51

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

необходима выдержка по времени для равномерного прогрева всего изделия, а также для полного прохождения всех физико-химических процессов и минералогических новообразований в керамическом черепке. После обжига структура изделий переходит в камневидное состояние, которое отличается водостойкостью, прочностью, устойчивостью к перепадам температурно-влажностных воздействий, и приобретает ряд других положительных свойств.

После обжига керамические изделия подвергаются сортировке, а затем поступают на склад готовой продукции.

Вотличие от способа пластического формования, при изготовлении керамического кирпича полусухим прессованием, массовая доля влаги в формовочной шихте составляет 8- 12 %. Технологический процесс производства керамического кирпича способом полусухого прессования включает в себя следующие операции: добычу, переработку, хранение глинистого сырья и добавок, приготовление пресс-порошка, хранение и вылеживание пресспорошка в бункерах для выравнивания по влажности и грансоставу с последующим его просевом навиброситах, полусухое прессование изделий на механических или гидравлических прессах, сушку и обжиг кирпича-сырца, сортировку, упаковку, складирование и отправку потребителю готовой продукции.

Особое место в производстве керамических изделий методом полусухого прессования отводится приготовлению пресс-порошка. Подготовка пресс-порошков из глин повышенной карьерной влажности (18-25 %) рекомендуется производить с одноили двухстадийной сушкой и с последующим его измельчением до крупности зерен не более 2-3 мм.

Всовременной технологии производства керамического кирпича методом полусухого прессования существует два основных способа подготовки пресс-порошков: сушильнопомольный и из шликерных масс путем их обезвоживания и диспергирования в башеннораспылительных сушилках (БРС). Последний является достаточно энергоемким. В технологии керамического кирпича в основном используется сушильно-помольный способ приготовления пресс-порошка.

Сушильно-помольный способ предусматривает дробление, сушку, помол, просев и увлажнение глинистой массы. Для дробления используют валковые дробилки, грануляторы. Сушку гранул осуществляют в сушильных барабанах. Высушенная глина подвергается тонкому измельчению в стержневых мельницах, полученный пресс-порошок просеивается на виброситах, затем при необходимости доувлажняется в смесителях, после чего вылеживается

вбункерах.

Пресс-порошок с заданными технологическими свойствами (гранулометрическим составом и влажностью) подвергается прессованию на прессах различных конструкций как отечественного, так и зарубежного производства. Большинство заводов керамического кирпича полусухого прессования и по настоящее время все еще оснащены механическими прессами марки ПМК-630, которые наряду со многими достоинствами имеют существенные недостатки, состоящие в невозможности осуществления оптимального управления режимом прессования сырца-кирпича.

Результаты выполненных исследований функциональных возможностей гидравлических прессов определили стратегическое направление модернизации отечественных механических прессов марки ПМК-630 [3, 4]. Использованный в данном случае термин «модернизация» пресса ПМК-630 подразумевает разработку нового способа прессования кирпича и конструктивные изменения пресса, позволяющие реализовать предложенный способ. Предложенный способ формования сырца-кирпича и базирующийся на нем вариант модернизации пресса обеспечивают существенное отличие от базового способа формования и устройства пресса ПМК-630. Как показали результаты производственных испытаний, реализация предложений по модернизации коленорычажных прессов ПМК-630 позволяет существенно повысить качество выпускаемого кирпича при минимальных капитальных затратах на техническое перевооружение производства. Предложенный способ предусматривает формование сырца-кирпича в неподвижной пресс-

52

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

форме в два этапа за цикл хода прессующего инструмента, причем на первом этапе в пределах 65-70 % полного хода прессующего устройства происходит формование снизу, а на втором этапе осуществляется двухстороннее двухэтапное возрастание нагрузки до достижения полного прессового усилия.

Более подробное описание нового способа пресс-формования сырца-кирпича и переоборудование пресса ПМК-630 представлено в [5, 6]. Внедрение модернизированного пресса ПМК-630 осуществлено на ряде кирпичных заводов полусухого прессования ЦЧР.

Отпрессованный кирпич-сырец подвергается сушке в туннельных сушилках, в которых теплоносителем выступает горячий воздух с начальной температурой 120-150 оС. Продолжительность сушки составляет примерно 16-24 часа. После нее влажность изделий находится в пределах 4-6 %.

И, наконец, заключительный этап производства – обжиг. Необходимо отметить, что в сырце при полусухом прессовании коллоидная фракция образуется внутри частиц глинистого вещества, поэтому она не цементирует частицы, а агрегирует зерна минералов в глинистую частицу, то есть ведет как бы к кластерообразованию. Как следствие этого, жидкая фаза (расплав) при обжиге развивается внутри глинистых агрегатов, а на их поверхности образуется малое количество жидкой фазы. Сцепление частиц при этом носит характер контактного спекания.

Керамический кирпич, изготовленный методом полусухого прессования, обладает невысокой прочностью при изгибе, повышенным водопоглощением и недостаточной морозостойкостью, хотя качество внешнего вида кирпича достаточно высокое.

Впоследние годы все более широкое применение находит технология производства керамических стеновых изделий жестким формованием [7]. Преимущество этой технологии является возможность садки отформованного сырца сразу на печные вагонетки, без промежуточной укладки на сушильные с последующей перекладкой на обжиговые транспортирующие устройства.

Характерной особенностью технологической схемы является увлажнение глиносодержащей массы непосредственно в мешалке пресса. Такой способ позволяет формовать изделия при влажности глиномассы на 3-4 % ниже нормальной формовочной при давлении в головке пресса 2,5-3,0 МПа. За время пребывания глинистой массы в мешалке и прессе набухание зерен глины произойти не успевает и в момент выхода бруса из мундштука пресса эти зерна окружены полужидкой глинистой массой, позволяющей при достаточно низких давлениях формовать пустотелые изделия с такой же пустотностью, как из масс с нормальной формовочной влажностью [8].

Авторами совместно со специалистами ООО «СпецАгроСтрой» были проведены исследования и дан сравнительный анализ трех вышеуказанных способов массоподготовки и формования изделий.

Вкачестве объекта исследований использовалось глинистое сырье Петропавловского месторождения Воронежской области. Данная глина по гранулометрическому составу, определенному по методу Б.И. Рутковского, относится к пылеватой и высокочувствительной

ксушке, по числу пластичности – к умереннопластичной.

Перед началом испытаний глинистое сырье высушивалось, усреднялось и измельчалось в лабораторных бегунах до полного прохождения через сито с диаметром отверстий 1,25 мм. Затем глина увлажнялась до требуемой влажности: для полусухого прессования 8-12 %, для жесткого формования 14-16 %, для пластического формования 1825 % и тщательно перемешивалась в лабораторном смесителе.

Из полученных формовочных масс изготавливались образцы-цилиндры диаметром и высотой 50 мм при требуемых давлениях формования. Сушка образцов производилась в начале при комнатной температуре, а затем при 100 оС в сушильном шкафу, обжиг – при 1000 оС. После обжига проводились испытания образцов для определения средней плотности черепка, водопоглощения, прочности на сжатие и морозостойкости.

Морозостойкость определялась по коэффициенту структурности Кс

53

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Кс =Вн/Вк,

где Вн – водопоглощение образцов при нормальных условиях, %; Вк – водопоглощение образцов при кипячении, %.

Керамическое изделие считается морозостойким, если значение Кс не ниже 0,85 [9]. Результаты проведенных исследований приведены в табл. 2.

Таблица 2 Сравнительная оценка керамических изделий, полученных различными способами

Таким образом, сравнительный анализ различных способов массоподготовки и формования изделий показал положительное значение жесткого формования изделий из данного вида глины при получении высококачественных керамических изделий.

Окончательный выбор технологии в том или ином случае будет зависеть от характеристик глинистой породы, от существующего технологического оборудования, производственных площадей, возможности модернизации или реконструкции и множества других факторов.

Список литературы

1.Патент № 2274621 РФ, МПК С04В 33/00. Способ сушки отформованного кирпичасырца / Е.И. Шмитько, А.А. Суслов, А.М. Усачев, Р.А. Важинский; № 2004116165/03; заявл. 7.06.2004; опубл. 20.04.2006, Бюл. № 11 – 4 с.

2.Шмитько Е.И., Суслов А.А., Усачев А.М. Новый способ повышения эффективности процессов сушки керамических изделий // Строительные материалы. - 2006. - № 5. - С.20-22.

3.Шмитько Е.И., Суслов А.А., Никулин А.Д. и др. Кирпичным заводам – новые модернизированные механические пресса // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2000. - № 9. - С.18.

4.Важинский А.Т. Управление процессом прессформования и повышения качества керамического кирпича. Автореф. дисс. … канд. техн. наук. - Воронеж, 1999. - 22 с.

5.Патент № 2097178 РФ, МПК В28В 3/00. Способ полусухого формования сырцакирпича на прессе / А.Т.Важинский, А.А.Суслов, Е.И.Шмитько и др.; № 96107002/03; заявл. 12.04.1996; опубл. 27.11.1997, Бюл. № 33 - 9 с.

6.Патент № 2116194 РФ, МПК В28В 3/08. Механический пресс для полусухого формования сырца-кипича в два этапа за один ход прессующего инструмента / А.Т.

54

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Важинский, А.А. Суслов, Е.И. Шмитько и др.; № 96115772/03; заявл. 30.07.1996; опубл. 27.07.1998, Бюл. № 2110 с.

7.Тарасевич Б.П. Научные основы выбора оптимального направления технологии стеновой керамики // Строительные материалы. - 1993. - № 7 - С.12-14.

8.Завадский В.Ф., Кучерова Э.А., Стороженко Г.И., Папичев А.Ю. Технология изделий стеновой и кровельной керамики: учеб. пособие. - Новосибирский гос. арх.-строит. ун-т. - Новосибирск, 1998.- 76 с.

9.Книгина Г.И. Лабораторные работы по технологии строительной керамики и искусственных пористых заполнителей: учеб. пособие. 2-е издание доп. - М.: Высш. шк., 1977. - 208 с.

Суслов Александр Александрович - к.т.н., доцент кафедры Технологии строительных материалов, изделий и конструкций Воронежского ГАСУ. Тел.: (473)2715235.

Усачев Александр Михайлович - к.т.н., доцент кафедры Технологии строительных материалов, изделий и

Турченко Алла Евгеньевна - к.т.н., доцент кафедры Технологии строительных материалов, изделий и конструкций Воронежскогогосударственного архитектурно-строительного университета. Тел.: (473)2715235. Черных Дмитрий Иванович - аспирант кафедры Технологии строительных материалов, изделий и

55

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

УДК 691:66.081

А.М. Усачев, А.С. Кретинин, Ю.С. Серикова, В.Ю. Болтнев

СОРБЦИОННЫЕ И ДЕСОРБЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В МАТЕРИАЛАХ

Изучена сорбционная влажность материалов, применяемых в качестве посредников для контактно-диффузионного способа сушки. Показано, что зная, сорбционную способность материалов при повышенных температурах, можно судить о скорости их десорбции и прогнозировать режимы контактно-диффузионной сушки

Ключевые слова: сорбция, десорбция, влажностное равновесие, контактно-диффузионная сушка

A.M. Usachyov, A.S. Kretinin, Y.S. Serikova, V.Y. Boltnev

SORPTION AND STRIPPING PROCESSES IN MATERIALS

Sorptionhumidity of the materials used as intermediaries for the contactand- diffusive way of drying has been studied. It has been shown that knowing, sorption ability of materials under high temperatures, it is possible to judge the speed of their desorption and to predict the modes of contact- and-diffusive drying

Keywords: sorption, desorption, humidity balance, contactand- diffusive drying

Введение. Под сорбцией понимается процесс самопроизвольного проникновения и сосредоточивания парообразного вещества на поверхности твердого тела. Исследованию процесса сорбции посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных ученых [1-4]. При этом принято поглощающее вещество называть сорбентом, а поглощаемое – сорбтивом.

Сорбционная влажность зависит от поровой структуры материала, физикохимического строения поверхности пор, а так же от температуры и влажности окружающего воздуха [1].

Метод определения сорбционной влажности материала устанавливается по ГОСТ [5]. Сущность метода заключается в доведении образцов материала, предварительно высушенных до постоянной массы, до равновесного состояния в искусственно созданных паровоздушных средах, имеющих различную влажность воздуха υ при температуре t=20 оС.

Известно [6], что в состоянии равновесия температура тела равна температуре воздуха, а давление паров воды в материале равно парциальному давлению водяного пара в воздухе. Влагосодержание тела приобретает некоторое постоянное значение, называемое равновесным удельным влагосодержанием или равновесной влажностью. В состоянии равновесия влагосодержание тела одинаково во всем объеме, то есть общее среднее влагосодержание равно влагосодержанию в любой точке тела.

В работе [7] была изучена сорбционная активность материалов, применяемых для контактно-диффузионной сушки, где они выполняли роль посредника между влажным глиняным сырцом и окружающим сушильным агентом. Для этих материалов-посредников сорбционная влажность важна с точки зрения оценки возможности поглощения ими влаги из влажного глиняного сырца при непосредственном контакте. Полученные результаты по посредникам (пеношамотному легковесу и цементному камню), а также глиняному сырцу приведены на рис. 1.

© Усачев А.М., 2013

56

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Относительная влажность воздуха, %

Рис. 1. Изотермы сорбции материалов-посредников и глиняного сырца при t=20 оC

Как известно [3, 6], основная форма связи сорбированной влаги – адсорбционная и капиллярная. При этом при относительной влажности воздуха υ равной 0-10 % происходит мономолекулярная адсорбция. С повышением относительной влажности от 10 до 90 % наблюдается полимолекулярная адсорбция, а при υ=90-100 % влага конденсируется в капилляры.

А.В. Лыковым [6] и Ю.Л. Кавказовым [8] установлено, что в процессе сорбции влагой заполняются только микрокапилляры (с радиусом менее 10-5 см). Макрокапилляры (r>10-5 см) заполняются влагой только путем непосредственного соприкосновения с водой. То есть максимальная сорбционная влажность капиллярно-пористого тела является некоторой постоянной, характеризующей количество микрокапилляров в теле.

Анализируя изотермы сорбции материалов-посредников, представленные на рис. 1, отметим, что пеношамотный легковес обладает развитой поверхностью порового пространства. При этом значительное количество пор относится к микропорам, что подтверждается его относительно высокой сорбционной активностью, практически сравнимой с сорбционной влажностью глиняного сырца.

Поры в цементном камне образуют систему сообщающихся капилляров. Широкий спектр диаметра пор и относительно большой их объем обеспечивают цементному камню возможность влагонасыщаться в значительных пределах по различным механизмам: адсорбционно-конденсационному, микро- и макрокапиллярному. Это наглядно подтверждается высоким уровнем сорбционной активности цементного камня (рис. 1).

Для того, чтобы сорбционные возможности исследуемых материалов-посредников представить более объективно, мы изменили общепринятую размерность этого показателя в виде процентного содержания по массе на относительное содержание по объему (кг/м3). Такая замена оправдана тем, что конструктивно в реальном процессе сушки все материалыпосредники получат один и тот же объем. Будем иметь следующий ряд значений:

цементный камень В/Ц = 0,4……………………………….414,0 кг/м3; глиняный сырец …………………………...…………...…..184,0 кг/м3;

пеношамотный легковес ρm = 300 кг/м3……….…………..27,0 кг/м3.

В представленном ряду цементный камень и пеношамотный легковес оказались в диаметрально противоположных позициях как относительно друг друга, так и относительно глиняного сырца. Это предопределяет их специфические свойства в процессе контактнодиффузионной сушки, при которой черезматериал-посредник осуществляется перегонка влаги из сырца в сушильный агент.

Изучение процесса сорбции представляет интерес также с точки зрения обратного процесса – удаления влаги из материала, то есть десорбции. Десорбция есть процесс обратный сорбции. Ведь равновесная влажность материала зависит не только от

57

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

температуры и влажности окружающего воздуха, но и от способа достижения равновесия. Если материал в процессе установления равновесия поглощал влагу, то равновесное состояние наступило путем сорбции или увлажнения, если же отдавал влагу, то равновесия было достигнуто путем десорбции или сушки.

Известно, что изотермы сорбции и десорбции симметричны, хотя и не полностью совпадают. Это несовпадение изотерм носит название сорбционного гистерезиса. Некоторыми учеными [6] сорбционный гистерезис объясняется неполным смачиванием стенок капилляров в процессе сорбции. Поэтому равновесное влагосодержание, определяемое из изотермы сорбции всегда меньше, чем из изотермы десорбции для одной и той же относительной влажности воздуха. В процессе десорбции равновесное влагосодержание несколько больше истинного, а в процессе сорбции – наоборот, несколько меньшее (рис. 2).

Рис. 2. Общий вид изотермы сорбции (2) и десорбции (1)

Анализируя вышесказанное, можно отметить, что с небольшой долей погрешности, пользуясь кривой сорбции можно судить о поведении материала в процессе сушки. Однако следует понимать, что при сушке теплоносителем с определенными параметрами (температурой t, относительной влажностью υ, скоростью движения v) нельзя удалить всю влагу. Процесс может быть проведен только до равновесной, соответствующей данным параметрам теплоносителя влажности материала.

Так как сушка керамических изделий в реальных промышленных условиях происходит при температурах, значительно превышающих t=20 оС, то в наших исследованиях актуальным было изучение сорбции отмеченных ранее материалов при температурах близких к производственным, а именно – 40, 60 и 80 оС.

В стандарте [5] не уточняется форма образцов для определения их сорбционной влажности. С целью сравнения результатов, в качестве сорбента нами использовались образцы двух форм: кубики и пластинки, изготовленные из глиняного сырца, цементного камня и пеношамотного легковеса, размером соответственно 2×2×2 см и 1×10×15 см. Форма образцов выбрана еще и с той целью, что в дальнейшем планируется описание процесса сорбции путем математической модели. В этом аспекте кубики представляют равномерный объект, а пластины – бесконечное тело.

Образцы кубики и пластинки были помещены в стеклянные эксикаторы с насыщенным раствором соли, что позволило создать относительную влажность воздуха 33%.

Далее эксикаторы помещались в сушильный шкаф, где поддерживалась температура соответственно 40, 60 и 80 оС. Известно, что при нагревании воздуха его относительная влажность снижается и не равна const. Для обеспечения постоянного значения относительной влажности воздуха в ходе проведения экспериментальных исследований в эксикаторах поддерживалась постоянная концентрация растворов, а крышка эксикаторов открывалась на непродолжительное время только в период взвешивания образцов.

58

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

По полученным зависимостям можно сделать вывод о том, что с увеличением температуры окружающей среды, сорбционная способность материала увеличивается. Это связано с тем, что при увеличении температуры резко уменьшается вязкость воды и соответственно возрастает ее проникающая способность. Исследования в этой области будут продолжены с другими влажностями воздуха (60, 80, 90 и 100 %), но уже по имеющимся данным можно сделать следующее заключение.

Образцы кубики имеют несколько большую сорбционную активность в сравнении с пластинками из того же материала. На наш взгляд это связано с тем, что кубики, имея меньшую площадь поверхности (24 см2) относительно быстро поглощают влагу. Пластинки с площадью поверхности более 300 см2 реализуют свой сорбционный потенциал значительно дольше. Если же эксперименты продолжать более 144 часов, то рано или поздно сорбционная влажность образцов кубиков и пластинок должна сравняться. Однако в наших исследованиях было достаточно определить сорбцию за 144 часа, так как продолжительность процесса сушки в промышленных условиях обычно не превышает данное время.

Что касается самих материалов, то пеношамотный легковес реализует свою сорбционную способность уже к 24 часам (рис. 3), следовательно, в процессе его высушивания при тех же условиях он будет достаточно быстро отдавать влагу. Поэтому с помощью него устойчиво могут быть реализованы только жесткие скоростные режимы контактно-диффузионной сушки. Цементный камень наоборот поглощает пары влаги в течение долгого времени. Следовательно, с его помощью можно реализовать мягкие режимы контактно-диффузионной сушки.

Таким образом, выполненные экспериментальные исследования по изучению сорбционной активности материалов-посредников позволяют достаточно точно прогнозировать поведение этих материалов при сушке и, соответственно, подбирать необходимые режимы контактно-диффузионного высушивания.

Список литературы

1.Гаврилова Р.И. Аналитическое представление изотерм сорбции ряда строительных материалов // НИИ Строительной физики. - 1976. - Вып. 17. - С. 47-23.

2.Дубинин М.М. Физико-химические основы сорбционной техники. - ОНТП: 1935. - 536 с.

3.Жуковский А.А. Адсорбция газов и паров. - ГОНТИ, НКТП: 1938. - 418 с.

4.Де Бур Я. Х. Динамические характеристики адсорбции. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1948. - 266 с.

5.ГОСТ 24816-81. Материалы строительные. Метод определения сорбционной влажности. - М.: Изд-во стандартов, 1982. - 10 с.

6.Лыков А.В. Теория сушки. - М.: 1968. - 472 с.

60